淺談鑄軋彎液面氧化膜的形成及控制

熊增彩，索寶生，崔 勇

（青海中鋁鋁板帶有限公司，西寧 810100）

0 前言

鑄軋是將鋁液直接轉(zhuǎn)化成5~10 mm厚度的坯料生產(chǎn)過程，它具有生產(chǎn)靈活、投資小、占地面積小、建設(shè)速度快、能耗低、生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，故其產(chǎn)品在包裝、印刷、裝飾等行業(yè)的應(yīng)用特別廣泛。隨著軋制工藝的不斷改善，人們對帶材板面質(zhì)量的要求不斷提升，許多產(chǎn)品不允許鑄軋坯料表面有氧化膜脫落以及因此產(chǎn)生的印跡。在生產(chǎn)過程中引起氧化膜脫落的主要原因在于鑄軋彎液面氧化膜的不穩(wěn)定性。

1 彎液面氧化膜的形成

在鑄軋生產(chǎn)中，供料嘴與鑄軋輥之間存在有一定的縫隙，被稱之為嘴輥間隙。鋁熔體在嘴輥間隙處受液體表面張力影響形成彎曲狀，故稱之為彎液面[1]。彎液面鋁水由于氧化所形成的氧化膜稱之為彎液面氧化膜，如圖1所示。

圖1 彎液面氧化膜示意圖

正常生產(chǎn)時(shí)，由鑄嘴進(jìn)入鑄軋區(qū)內(nèi)的液體被這一層弧形氧化膜所包圍，才保持了生產(chǎn)的連續(xù)進(jìn)行，但是受眾多因素的影響，這個(gè)氧化膜被破壞時(shí)，鑄軋板面就形成了影響質(zhì)量的氧化膜或夾渣。正常情況下，氧化膜不受外力沖擊或人為破壞時(shí)能夠穩(wěn)定存在并保護(hù)生產(chǎn)正常進(jìn)行，它的穩(wěn)定性取決于氧化膜表面張力產(chǎn)生的施加給金屬液體的附加壓強(qiáng)和前箱內(nèi)熔體產(chǎn)生的靜壓強(qiáng)之間的平衡，如圖2所示。氧化膜表面張力產(chǎn)生的施加給金屬液體的附加壓強(qiáng)為[2-3]：

圖2 前箱熔體水平面與氧化膜示意圖

式中，P膜是氧化膜表面張力給熔體的壓強(qiáng)，Pa；R是液膜的曲率半徑，cm ；σ是表面張力系數(shù)，N/cm。

前箱熔體和彎液面氧化膜之間存在一定的靜壓力，其產(chǎn)生的壓強(qiáng)為：

式中，P靜是前箱熔體靜壓力造成的壓強(qiáng)，Pa；H是前箱熔體水平面與氧化膜之間的高度差，cm；ρ是熔體密度，kg/cm3；g是重力加速度，m/s2。

當(dāng)P靜=P膜時(shí)，氧化膜穩(wěn)定存在，鑄軋過程也將穩(wěn)定進(jìn)行。如果工藝一直穩(wěn)定，結(jié)晶過程能按這個(gè)模式持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)氧化膜的表面張力產(chǎn)生的附加壓力小于前箱液面靜壓力時(shí)即P膜＜P靜時(shí)，氧化膜就會被沖破，嚴(yán)重時(shí)會造成漏鋁停機(jī)；當(dāng)P靜≤P膜時(shí)，氧化膜就會被流動的鋁水帶到板面，這兩種情況都會導(dǎo)致產(chǎn)生板面氧化膜夾渣缺陷。

2 破壞彎液面氧化膜的因素

在實(shí)際生產(chǎn)中，破壞彎液面氧化膜的因素有很多，有工藝因素也有外界因素，下面對主要的幾個(gè)因素進(jìn)行分析。

2.1 前箱靜壓力對彎液面氧化膜的影響

彎液面氧化膜的穩(wěn)定性取決于彎液面的穩(wěn)定性，而前箱液面的穩(wěn)定是控制彎液面穩(wěn)定及氧化膜形成的關(guān)鍵，因此要維持鑄軋生產(chǎn)的連續(xù)性和干凈的板面，前箱液面的高度和穩(wěn)定是一個(gè)極重要的參數(shù)。熔體對嘴輥間隙作用的靜壓力和彎液面處的表面張力處于平衡狀態(tài)，當(dāng)液面起伏不定或前箱穩(wěn)流器配合不好易導(dǎo)致前箱液面頻繁波動，就會打破平衡狀態(tài)。液面較低時(shí)靜壓力減小，金屬供流不足使彎液面處表面張力減小，致使熔體局部過冷凝固，鋁凝殼后移增厚；前箱液面過高時(shí)靜壓力增大，彎液面處表面張力也隨之增大，液穴加深，熔體結(jié)晶面前移，凝固殼減薄。不穩(wěn)定的結(jié)晶條件直接導(dǎo)致氧化膜的曲率半徑也隨之變化，從而導(dǎo)致氧化膜頻繁脫落，造成板面氧化膜夾渣缺陷。

2.2 唇輥間隙對彎液面氧

唇輥間隙直接影響彎液面氧化膜的厚度，同時(shí)鑄嘴的平直度又影響彎液面氧化膜的均勻性。一般情況下唇輥間隙大的地方，氧化膜厚相應(yīng)較厚，在出現(xiàn)波動時(shí)，偏厚的氧化膜就容易脫落，而且前面已經(jīng)破壞過的地方的氧化膜也容易脫落。

2.3 冷卻強(qiáng)度對彎液面氧化膜的影響

循環(huán)水的冷卻強(qiáng)度主要由循環(huán)水的溫度、壓力、流量來決定，它們的變化和波動是影響鑄軋穩(wěn)定生產(chǎn)的重要條件。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，鑄軋輥會隨著水溫、水壓、流量的變化出現(xiàn)微量的熱脹冷縮變化，該變化直接導(dǎo)致輥縫開度出現(xiàn)反復(fù)的變化，而鑄嘴開口度是固定不變的，所以容易出現(xiàn)氧化膜脫落。 而且水溫、水壓的變化直接造成軋輥帶走的熱量不同，鑄軋區(qū)內(nèi)凝固區(qū)的長度（液穴深度）發(fā)生變化，氧化膜的表面張力也會反復(fù)變化，輕則出現(xiàn)細(xì)橫紋，重則在其他條件有變化時(shí)出現(xiàn)氧化膜破裂引發(fā)的問題。

2.4 外界因素對彎液面氧化膜的影響

2.4.1 液面波動的影響

引起液面波動的因素很多，如轉(zhuǎn)爐時(shí)液面波動、除氣爐爐蓋升降和除氣爐扒渣、穩(wěn)流器調(diào)整精度不好控流不穩(wěn)等。轉(zhuǎn)爐剛開始時(shí)由于熔煉爐內(nèi)的鋁液多、壓力大，對保溫爐的沖擊大，到轉(zhuǎn)爐后期隨著爐料的減少沖擊也變小，液位的變化會引起彎液面的波動，嚴(yán)重時(shí)會造成氧化膜脫落。由于除氣爐上蓋上有加熱體、石墨轉(zhuǎn)子，所以除氣爐作業(yè)時(shí)對溜槽的影響較大，彎液面的平衡也極容易被打破，造成氧化膜脫落。穩(wěn)流器的調(diào)整精度是前箱液面保持穩(wěn)定的關(guān)鍵，它的精度主要由穩(wěn)流器的靈敏度、安裝精度、石墨堵頭的密封性以及浮盤的完整性決定，調(diào)節(jié)靈敏的穩(wěn)流器可以有效防止其他液面波動對彎液面的影響。

2.4.2 速度波動的影響

在生產(chǎn)過程中，當(dāng)鑄軋速度發(fā)生變化時(shí)，鑄軋區(qū)內(nèi)的液相區(qū)也會相應(yīng)延長，液穴加深會使嘴輥間隙處凝固殼減薄，造成嘴輥間隙處彎液面持續(xù)產(chǎn)生變化，此時(shí)其他條件稍有波動就會引起氧化膜脫落[4]。

2.4.3 機(jī)械震動和人為因素的影響

機(jī)械震動一部分來自外部的因素，如天車行走的震動、外部敲打設(shè)備或檢修作業(yè)，同時(shí)還有來自設(shè)備本體的因素，如設(shè)備機(jī)械卡死的震動、軸承破損、軸承滾珠磨損、輥套滑移等等。

人為因素主要是指在生產(chǎn)過程中，當(dāng)過濾箱液位差增加時(shí)，為了防止板面塌邊，操作工人會進(jìn)行敲擊過濾箱等帶有震動性的操作。這種人為因素造成的振動也會破壞彎液面氧化膜的平衡，造成大量的氧化膜帶出。

3 預(yù)防措施及控制方法

（1）保持技術(shù)參數(shù)合理且穩(wěn)定。鑄軋生產(chǎn)中鑄軋區(qū)、唇輥間隙、冷卻強(qiáng)度、帶材速度是最為重要的幾個(gè)技術(shù)參數(shù)，根據(jù)合金種類、板厚和板寬的不同以及軋機(jī)型號的不同、生產(chǎn)環(huán)境溫度的不同，參數(shù)設(shè)定均不相同。一般情況下軋輥直徑為980 mm的大軋機(jī)鑄軋區(qū)控制在58~62 mm，輥直徑為820 mm的小軋機(jī)鑄軋區(qū)控制在52~56 mm之間；而且唇輥間隙越小越好，通常情況下上間隙控制在0.8 mm以內(nèi)，下間隙控制在0.6 mm以內(nèi)；帶材速度根據(jù)合金和產(chǎn)品的要求控制不一，但是正常卷曲后不再進(jìn)行調(diào)整，特別應(yīng)注意保持生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性；冷卻強(qiáng)度夏天要大于冬天，但是壓力、流量和水溫需穩(wěn)定[5]。

（2）精細(xì)操作立板生產(chǎn)過程。立板生產(chǎn)過程中的精細(xì)操作尤為重要，它既是確保工藝參數(shù)的前提又是過程控制的關(guān)鍵，特別是鑄嘴、前箱、穩(wěn)流器、軋區(qū)和唇輥間隙的調(diào)整。在安裝調(diào)整時(shí)鑄嘴要做到唇口平直均勻，耳子緊固到位；前箱、流槽之間的組裝面和連接口要做到密封、暢通、固定；穩(wěn)流器的組裝要做到靈敏、支架要固定、對位要準(zhǔn)確、連桿浮盤的保護(hù)要嚴(yán)實(shí)；鑄軋區(qū)的測量一定要準(zhǔn)確，標(biāo)定要真實(shí)準(zhǔn)確，唇輥間隙在保證鑄嘴扇板不與輥面接觸的前提下要盡量放小。

（3）減少外界和人為破壞。外界對生產(chǎn)的影響是完全可以避免的，特別是設(shè)備的影響，在立板前做好設(shè)備的點(diǎn)檢和維護(hù)，在生產(chǎn)過程杜絕在軋機(jī)周圍進(jìn)行敲打、撞擊等檢修作業(yè)；天車的軌道要加強(qiáng)維護(hù)和緊固，避免啃軌、震動等故障的發(fā)生；每卷下線后及時(shí)查看過濾箱液位差和通過量，二者任一項(xiàng)達(dá)到工藝要求時(shí)要提前做好切換準(zhǔn)備并及時(shí)切換，堅(jiān)決杜絕人為敲擊過濾箱情況發(fā)生。

4 結(jié)束語

鑄軋彎液面氧化膜的穩(wěn)定性是主導(dǎo)板面氧化膜缺陷的根本因素，合理的參數(shù)控制和精細(xì)的操作又是彎液面氧化膜穩(wěn)定的關(guān)鍵所在。因此在鑄軋生產(chǎn)過程中既要杜絕設(shè)備和人為的干擾，同時(shí)還要加強(qiáng)操作質(zhì)量，立板時(shí)的原始參數(shù)要符合工藝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保彎液面氧化膜均勻、穩(wěn)定，從而有效防止由于彎液面破壞造成的夾渣缺陷。